建筑节能中热力法的分析应用

1建筑各子系统的分析

分析是以系统的平衡原理为基础的，为了建立过程和系统的平衡方程，对于代表不可逆过程耗散和系统对环境排放损失的消耗的计算是很重要的。平衡关系的一般方程式可表示为[6]：输入－输出＝消耗（1）建筑的能量供应链可被分为多个子系统，包括围护结构、室内空气、采暖/制冷末端、分配系统和产能系统等。这里主要针对建筑的采暖工况，分别对相应各子系统的平衡关系进行分析讨论，得到对应的公式来指导系统设计。

1.1产能系统产能系统输入的量值会比所有子系统热量的需求量更大，这是因为在实际的系统里，总有一部分的量会不可避免地被损失掉。由于这里讨论的是建筑的采暖工况，所以就以锅炉作为对象进行分析。锅炉的输入和输出可分别表示为[7]1.2采暖/制冷末端这里以空气加热器作为研究对象进行分析，其输入和输出可分别表示为：1.3室内空气室内空气的输入和输出可分别表示为：1.4围护结构建筑围护结构的输入可表示为：Exe,in=Exa,out（8）对于建筑系统的分析，可做进一步的简化，即围护结构的输入可完全被视为消耗。因为当墙体外侧温度逐渐变为环境温度T0时，其输出最终会等于零，也就是不再具有值[6]，即Exe,out=0（2）在上述公式中，下标“b”、“h”、“a”、“w”和“e”分别表示锅炉、空气加热器、室内空气、热水和围护结构，下标“in”和“out”分别表示输入和输出，下标“0”表示参考环境状态。

2实例计算

为了能更清晰地掌握分析方法在建筑节能中的应用，现以采暖工况下的房间作为研究对象进行分析。该房间长为8m，宽为6m，高为3.2m，有一面外墙。外墙的墙体面积为13.6m2，窗户面积为12m2。提供电力的发电厂和提供热量的锅炉都以液化天然气（LNG）作为燃料，其能质系数（即其化学与其最高热值之比）为0.94，发电厂的热效率（即其发电量与其最高热值之比）为0.35。房间室内空气的设计温度为20℃，室外空气温度为0℃，并以室外空气温度作为系统的参考温度。在计算过程中，空气的定压比热为1005J/kgK，空气密度为1.2kg/m3，水的定压比热为4183J/kgK。

为比较建筑围护结构热工性能与锅炉效率对建筑节能的影响程度，分四种工况加以研究。工况2与工况1的差别是锅炉热效率由0.75提高到0.95，其他参数不变；工况3与工况1的差别在于，墙体和窗户的传热系数分别由2.67W/(m2K)降低到1.14W/(m2K)和6.2W/(m2K)降低到3.6W/(m2K)，换气率有0.8h-1减少到0.4h-1，风机和水泵的功率也分别由30W减少到16W和23W减少到17W。工况4与工况3的差别也仅在于锅炉热效率由0.75提高到0.95，其他参数都相同。上述四种工况的热工参数和设备参数如表1所示。

3结果分析

为了将模型计算结果更形象直观的显示，图1和图2分别表示建筑各子系统热量的传递情况和量的消耗情况。由于采用的是稳态传热分析，所以图中空气加热器送风的热量、室内空气传递给围护结构的热量及围护结构传递到室外空气的热量都是相等的。因为建筑热工性能相同，工况1和工况2、工况3和工况4的建筑热负荷是分别相等的；但由于锅炉效率不同，所以锅炉消耗的能量分别不同，且效率高的能量消耗少。虽然热量在空气加热器、室内空气、围护结构和室外空气之间进行稳态传递时，数量是一直保持不变的，但其能质系数是在不断降低的，到室外空气侧下降为零。这个变化在热量传递过程是无法观察到的，而只能通过表示能质系数的量消耗情况加以分析。

由此，图2很清晰地表示出量在锅炉、空气加热器、室内空气、围护结构和室外空气中被消耗的变化情况。工况1和工况2由于热工性能相同、锅炉效率不同，所以锅炉侧的量消耗不同，但随后各子系统的量消耗情况相同。同理，工况3和工况4的量消耗情况与其规律一致。由工况1和工况2、工况3和工况4的比较分析可知，提高能源利用设备即锅炉的效率可减少量的消耗。同时，由工况1和工况3、工况2和工况4的比较分析可知，围护结构热工性能的提高也可减少量的消耗。并且，从模拟计算的数据结果可知，因围护结构热工性能的提高而减少的量要大于因锅炉的效率提高而减少的量。这既表明要实现真正的建筑节能，首先应尽量采用被动式方法来降低建筑能耗的需求，然后再选用能源利用效率高的主动式设备供能；同时也表明分析方法是深入剖析建筑节能内在热力学本质的重要手段。图3表示了四种工况下建筑能源系统锅炉、水泵和风机等用能设备的量消耗情况。锅炉的；量消耗既与建筑供热需求量有关，也与其自身效率有关。工况3和工况4由于热工性能提高、换气率减少，使得它们的建筑供热需求量大幅降低，所以选配的水泵和风机的功率也随之下降，由此它们的量消耗也相应减少。

4结论

通过以上分析研究可知，在建筑节能设计过程中，要降低建筑各用能设备的能耗，其根本是要减少建筑本身的冷热负荷需求，而提高围护结构热工性能、自然通风、天然采光等被动式的设计方法是实现此目标的重要手段，这是我们在进行设计时首要应考虑的因素。在建筑负荷确定的情况下，选用能效高的设备是随后应采取的必要手段。在分析采用不同被动式节能方法和选用不同主动式节能设备的时候，分析方法是分析比较不同建筑节能方式性能、效果和内在规律的重要的热力学方法。